Spannungsermittlung in beschichteten Bremsscheiben mittels FEM-Simulation

Beschichtete Bremsscheiben erlangen im derzeitigen automobilen Umfeld eine immer größere Bedeutung. Neben der Markteinführung der iDisc von Buderus [1] arbeiten OEMs, Zulieferer und Forschungsinstitute an unterschiedlichen technischen Lösungen für beschichtete Bremsscheiben. Zu den Vorteilen gegenüber konventionellen Graugussbremsscheiben zählen insbesondere die Korrosionsbeständigkeit der Reibflächen, die i. d. R. geringere Bremsstaubemission und die wesentlich längere Lebensdauer der Scheibe. Eine große Herausforderung besteht darin, Rissbildungen und daraus resultierende Delamination der Beschichtung bei thermischer und mechanischer Last zu vermeiden. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Grundkörper und Beschichtung wird sich bei thermischer Last eine Spannungsverteilung in der Bremsscheibe einstellen. Diese Verteilung zu simulieren und zu bewerten ist Ziel dieses Artikels.

Im Ersten Schritt werden die Parameter der Simulationen festgelegt. Dazu zählen die Abmessungen der Bremsscheiben, Schichtdicken, und Materialkombinationen. Anschließend werden verschiedene Lastfälle erstellt und die Simulationen durchgeführt. Im letzten Schritt erfolgt die Auswertung und Interpretation der Ergebnisse.

Im Hauptergebnis wird die Spannungsverteilung in der Bremsscheibe unter thermischer Last dargestellt. Dies wird für verschiedene Schichtdicken und Materialien beschrieben. Es soll ebenfalls eine Bewertung vorgenommen werden, in wie fern sich der eingestellte Spannungszustand als kritisch für die Funktion der Bremsscheibe erweist.

Für die Simulationen wird die Bremsscheibengeometrie als ideal angenommen. Eine Schwierigkeit besteht darin, die Anbindung von der Beschichtung zum Grundkörper korrekt zu modellieren. Hier werden Vereinfachungen getroffen werden müssen. Des Weiteren unterliegen FEM-Simulationen einer gewissen numerischen Ungenauigkeit.